综述不同微量金属元素对厌氧发酵的最优组合和添加量的研究

李 芹， 黄 涛， 彭道平

(西南交通大学 地球科学与环境工程学院， 成都 611756)

1 引 言

厌氧发酵是处理各种有机废物最理想、最有前途的生物技术之一，不仅可以有效的处理有机废物，而且产生的沼气可作为潜在的可再生能源[1]。目前的研究多集中在厌氧发酵产甲烷的主要影响因素及其工艺优化[2-3]、反应机理[4]以及产气效果评价[5]等方面，而微量金属元素作为维持厌氧微生物生长代谢和酶活性的重要组成成分受到越来越多的关注[6]，其对厌氧发酵的稳定运行起着重要的作用；在厌氧发酵的其他影响因素都正常的条件下，微量金属元素不足往往是导致厌氧发酵系统运行稳定性和产气量下降的首要原因[7]。

本文就微量金属元素在厌氧发酵过程中的作用进行归纳的基础上，着重对国内外Fe、Co、Ni、Cu、Zn等微量金属元素对厌氧发酵影响的研究现状进行了总结，微量金属元素不仅能够提高甲烷产气量、COD去除率以及挥发性脂肪酸(VFAs)转化效率，消除挥发性脂肪酸的累积现象，而且能够拮抗钠离子、氨氮等的抑制作用，进一步维持厌氧发酵的稳定运行。然而有机废弃物厌氧发酵过程中对微量金属元素需求量的研究还不健全，尤其是不同微量金属元素之间的促进与拮抗作用仍不明确，而且对当前外源添加微量金属元素所带来的潜在环境风险认识不足。

2 微量金属元素在厌氧发酵过程中的重要作用

微量金属元素在厌氧发酵过程中起着重要作用，其参与了生物质能的厌氧降解，是酶的重要辅助因子，如甲基辅酶M、一氧化碳脱氢酶(CODH)和辅酶M甲基转移酶等[8-9]。有研究指出Fe、Co、Ni、Cu、Zn是厌氧发酵过程所需的重要微量金属元素，Fe 在合成产甲烷菌的过程中含量最高，而且能够合成和激活CO脱氢酶、乙酰辅酶等多种酶的活性[10]，Co是酶F420的重要组成成分，促进微生物细胞的生物合成和产甲烷过程，激活厌氧发酵过程中关键酶F420的活性[11]，Ni是能有效催化甲基辅酶生成甲烷的甲基辅酶还原酶的活性酶(F430因子)的重要组成元素，能有效促进厌氧发酵的顺利进行[12]。Cu是超氧化物歧化酶和氢化酶的组成成分，其有效促进合成产甲烷菌[13]。Zn参与构成甲酸盐脱氢酶，超氧化物歧化酶、氢化酶等[7]，这些都是多种产甲烷菌的组成成分。可见，微量金属元素与厌氧发酵存在密切联系，是厌氧发酵过程中各种功能酶的关键因子。

3 微量金属元素单独补充对厌氧发酵性能的影响

众多学者从不同角度就微量金属元素对厌氧发酵的影响开展了相关研究，从各种微量金属元素单独补充产生的作用的角度出发，主要包括对产气量、COD去除率、减少挥发性脂肪酸的积累以及对氨氮去除等方面[7,14]。微量金属元素在厌氧发酵提高产气量和经济效益方面具有很大的潜力，Shailendra等[15]用NaOH溶液预处理后的玉米秸秆作为厌氧发酵的底物时，发现加入浓度为200～1000mg/L的Fe离子溶液时，沼气和甲烷产量提高的最大，分别为57%和56%。也有学者发现单独添加Cu离子溶液也可以促进产气率的增加，如Singer等[16]在奶牛粪便中添加适量Cu，观察48d时间内的产气率，发现加入Cu离子溶液组比对照组提高了22.22%。对于微量金属元素的添加量也有学者研究，Jin等[17]以乙酸钠为厌氧发酵碳源，添加Co离子溶液及其螯合物，结果表明其产气率并不会随着微量金属元素的添加量一直增加，其添加质量浓度分别为0.06、0.58和5.8 μg/L的Co离子溶液时，甲烷产量分别增加了12.8%、40.4%和39.6%；但当Co离子浓度超过0.58μg/L时，甲烷产量却不再增加，这可能是由于Co离子溶液的生物有效性受到了限制，因此在厌氧发酵过程中探索微量金属元素的最优添加量是十分重要的。这与潘云锋和李文哲[18]的研究结果相似，其发现在向以牛粪为原料的厌氧发酵反应器中分别连续投加Fe，Co，Ni等微量金属元素时，只有添加适量的微量金属元素可以有效提高产气量，当加入过量微量金属元素时，会抑制微生物活性及基质的代谢从而造成产气量降低，同时COD去除率也会降低。有关添加微量金属元素对COD去除率的研究，Ruan等[19]发现，当将废铁装载到厌氧发酵反应器时，可以提高COD去除率约1.5倍，但其研究未提及微量金属元素的最优添加量。Schmidt[20]通过麻风树种子提取出的大量麻风树滤饼作为生物气生产的基质，添加适量Fe元素提高了发酵系统的有机负荷和运行稳定性，其也未提及Fe元素的最优添加浓度。而卢菊仪等[21]研究了微量金属元素的最优投量，其研究发现当添加Fe离子质量浓度在2～10mg/L时，可有效促进颗粒污泥的发酵活性，且最优投量为5mg/L，进一步研究发现当Fe离子质量浓度超过100 mg/L就会产生抑制作用。

同时，有学者通过单因素优化实验研究比较不同微量金属元素之间的作用，如Scherer等[22]测定了10种产甲烷菌细胞中的微量金属元素含量，研究发现产甲烷菌细胞中微量金属元素含量的顺序为Fe>Zn≥Ni>Co=Mo>Cu，陈晋波[23]也指出不同种类的产甲烷菌细胞的元素组成有所不同，即使同种产甲烷菌在不同的环境条件下微量金属元素的含量和需求也有所不同。此结论也在Pobeheim等[24]的研究中得到证明，即不同微量金属元素对某一发酵原料的作用效果可能不同。

综上可知，单独添加微量金属元素在一定程度上能促进厌氧发酵的效果，但是对于不同微量金属元素的添加量及其效果的研究仍需要加强。

4 多种微量金属元素的补充对厌氧发酵性能的影响

在不同底物厌氧发酵系统中，各微量金属元素并非单独发挥特有的金属特性，不同微量金属元素之间存在协同促进效应[25]。近年来，许多学者对微量金属元素之间的作用的研究越来越多。Liu等[26]在经NaOH预处理后的厌氧发酵底物中同时加入浓度为1.0、0.4和0.4mg/(L·d)的Fe、Co、Ni后，发现同时添加后甲烷累积产量最高，且TS转化率提高了41.8%和62.2%。李亚新等[27]的研究也得出了同样的结论，其分别以醋酸钙和乙醇为发酵底物，当最优微量金属元素组合为Fe、Co、Ni时，产气量和甲烷含量与对照组相比，增加最大，分别为43.4%和5.1%，同时COD去除率也提高了10.2%。而且Pobeheim等[28]、Somssich等[29]、Zhang等[30]也有类似的发现，其分别以玉米秸秆和餐厨垃圾为发酵底物，加入不同微量金属元素，不仅可以提高甲烷产量，加快产气速率，同时COD和氨氮的去除率也最大。与之相反，吴树彪等[31]却发现微量金属元素对餐厨垃圾单相厌氧发酵的促进效果不明显，其以餐厨垃圾为发酵底物，添加微量金属元素Fe、Co、Ni等处理组和未添加微量金属元素的对照组相比，平均甲烷日产量分别为7.1L/d和6.7L/d，两者的甲烷体积分数分别为62.7%和61.6%，两者结果相差甚小，这说明不同微量金属元素之间的作用不仅仅表现为促进作用，不同微量金属元素之间可能存在相互抑制作用。

有关微量金属元素同时添加对厌氧发酵的影响，Pobeheim等[24]研究青贮玉米为发酵底物，同时添加Co和Ni，研究表明Ni的促进效果优于Co，而Lebuhn等[32]却得到了相反的结论，其以青贮玉米为发酵原料的试验研究结果表明Co元素是最重要的微量金属元素。张涵和李文哲[33]发现微量金属元素的添加频率也会影响厌氧发酵的效率，其每隔1、3、5、7d向牛粪厌氧发酵液中添加Fe、Co、Ni元素的混合液，结果发现每隔7d添加一次微量金属元素的发酵组效果最优，产气率和总产气量都最高，COD去除率也最高；而每隔1d添加一次的产气量最低。Banks等[34]也发现负荷不同时系统对微量金属元素的需求量也不同。

添加不同微量金属元素对挥发性脂肪酸的积累作用的研究也有不少，Facchin等[35]指出，通过添加适量Co，Mo，Ni等微量金属元素的混合物能加速VFAs的转化效率。Moestedt等[36]也得到了类似的结论，其发现添加Fe，Co，Ni时，VFAs转换效率可以有效提高。这与张万钦等[6]、Zhang等[37]和Facchin等[38]的研究结果一致，发现微量金属元素能起到缓解VFAs积累的作用，从而提高厌氧发酵系统的稳定性，但均未提及微量金属元素的最优组合。对于最优微量金属元素投加量组合，在王健等[39]的研究中提及到，其在Fe、Mn离子投加量均为0.090 0%，Co、Zn离子投加量均为0.005 0%，Cu离子投加量为0.003 5%的组合优化条件下，发现乙酸高达3 452mg/L，比优化前提高了61.8%。当乙酸负荷相对较低时，微量金属元素优化作用不大，与高乙酸负荷时相比较，优化效果明显减弱。

综上说明，同时添加不同微量金属元素对厌氧发酵产气量、COD去除率，减少VFAs的积累有很大作用，但是有关其最优组合方面研究仍需进一步加强。

5 有关数学模型研究不同微量金属元素对厌氧发酵的影响效果

微量金属元素是影响厌氧发酵效率最重要的影响因素之一，多种微量金属元素之间的复合作用也极其重要，而使用恰当有效的模型进行数值仿真模拟，不仅可以有效地避免大量的试验操作，而且可以为试验进行理论指导[25]。前人对此的研究多集中于多元线性回归模型、时间序列模型以及采用Matlab/Simulink建立仿真模型等，王健等[39]在单因素试验基础上建立可行的回归模型，利用响应面法对剩余污泥厌氧发酵生产乙酸的微量金属元素投加量组合条件进行了优化，确定了微量金属元素促进剩余污泥发酵生产乙酸的最优组合条件，并且以最优微量金属元素投加量组合获得的试验结果与二次响应面回归模型预测值拟合率高达99.34%。这与贾丽娟等[40]的研究相似，其以当地奶牛粪为发酵底物，研究微量金属元素、接种量、温度等3种因素对中温厌氧发酵产沼气过程的影响，并运用响应面法优化微量金属元素的添加量，通过中心复合试验设计和响应曲面回归分析确定得出，添加微量金属元素Fe、Co、Ni离子质量浓度分别为5.00mg/L、28.82μg/L和21.40μg/L时，可有效刺激厌氧发酵过程中的作用酶活动以促进产气。张庆芳等[41]通过设计三因素四水平的正交试验，探究了4种微量金属元素的投加组合对餐厨垃圾和剩余污泥混合原料厌氧发酵效率的影响，结果表明：当微量金属元素Fe、Co、Ni、Mo的投加量分别为15、2.0、0.5、0.6mg/L时，厌氧发酵效率最高，但是这4种微量金属元素的不同组合对VFAs的转化效率、氨氮的去除率以及pH值等的影响存在差异。类似的，赵玲等[11]采用Plackett-Burman试验设计，选用SASJMP8.0软件对7种不同微量金属元素进行优化筛选，以产气效果为指标，筛选对产气量有重要影响的因子，结果发现微量金属元素对秸秆厌氧干发酵有明显的促进作用，且通过PB试验证明了Ni，Mg，Mo对秸秆厌氧干发酵的产气效果影响最大。

6 结论与展望

不同的微量金属元素对以各种复杂原料为底物的厌氧发酵系统中的作用不同，且多种微量金属元素之间的促进作用和拮抗作用的表现也不同。发酵底物不同时，其微量金属元素本身存在的种类和含量差异也很大，这就决定了后期添加的种类和含量更是不同，找出不同底物发酵的最优微量金属元素组合以及最优添加量就显得极为重要。这同时也需要深入研究不同微量金属元素对厌氧发酵的理论影响机制和内在相互作用机制等。

同时，在充分认识到微量金属元素促进厌氧发酵产气作用的同时，也要清晰的认识到微量金属元素的添加所带来的潜在的环境风险，在深入研究不同的发酵原料和发酵工艺，其微量金属元素最优组合和添加量的基础上，尽可能的减少重金属的累积，将可能产生的环境风险降到最小。